基于MRI的前列腺癌放疗中标志物手动辨识与定位评价

张旺 刘肖 杨海芳 田龙 胡逸民

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基于MRI的前列腺癌放疗中标志物手动辨识与定位评价

    通讯作者: 田龙, zjkxhtl@126.com

Manual identification and localization evaluation of marker in prostate cancer radiotherapy based on magnetic resonance imaging

    Corresponding author: Long Tian, zjkxhtl@126.com ;
  • 摘要: 目的 评价基于MRI的前列腺癌放疗中黄金基准标志物(GFM)手动辨识和定位方法的效能。 方法 纳入2019年6月至2021年6月于唐山市人民医院接受治疗的16例前列腺癌患者进行前瞻性研究,年龄(58.5±4.1)岁,每例患者均置入了3枚GFM后接受放疗定位CT扫描,然后采用单独序列(SS)法和组合序列(CS)法对所有患者进行MRI检查。由5名放疗医师分别对2种序列法获得的所有图像进行GFM手动辨识和定位。计算单个GFM中心(CsGFM)坐标均值和3枚GFM空间质心(CmGFM)坐标均值,并采用Bland-Altman分析法分别评价2种序列法定位的一致性。通过与CT定位比较并计算GFM的标志物间距(IMD),评价2种序列法定位的准确度,组间比较采用配对样本t检验。 结果 SS法GFM辨识阳性率为79.17%(38/48),CS法为93.75%(45/48)。(1)一致性结果。SS法中,每名放疗医师计算的GFM中心坐标同所有GFM的CsGFM坐标均值在左右、头脚、腹背3个方向上的95%一致性界限(LoA)范围分别为−1.46~0.97 mm、−1.06~1.73 mm、−1.96~1.12 mm;CS法中分别为−0.79~1.09 mm、0.10~1.47 mm、−0.87~1.40 mm。SS法中,每名放疗医师计算的3枚GFM空间质心坐标同所有患者的CmGFM坐标均值在左右、头脚、腹背3个方向上的95%LoA范围分别为−1.38~0.94 mm、−1.60~1.07 mm、−1.07~1.75 mm;CS法中分别为−0.57~0.76 mm、−0.71~0.98 mm、−1.16~0.76 mm。(2)准确度结果。与CT定位比较,SS法中IMD为(0.59±0.39) mm,显著大于CS法中的(0.32±0.17) mm,且差异有统计学意义(t=−1.89,P=0.027)。 结论 基于MRI的2种GFM手动辨识和定位方法的效能均可满足临床要求,其中CS法GFM手动辨识的阳性率、定位一致性和准确度均优于SS法。
  • 图 1  前列腺癌患者(55岁)放疗中GFM置入后的CT和3种MRI序列扫描图像

    Figure 1.  CT and 3 kinds of MRI sequence scanning images of a prostate cancer patient (55 years old) in radiotherapy after gold fiducial marker implantation

    图 2  前列腺癌患者(57岁)放疗中GFM置入后的CT和3种MRI序列扫描图像

    Figure 2.  CT and 3 kinds of MRI sequence scanning images of a prostate cancer patient (57 years old) in radiotherapy after gold fiducial marker implantation

    表 1  bSSFP、SPGR和GRE 3种MRI序列的成像参数

    Table 1.  Imaging parameters of three MRI scanning sequences: balanced steady-state free precession, spoiled gradient-recalled echo and gradient-recalled echo

    MRI序列TE1/TE2/TR(ms)翻转角度(°)视野(mm×mm ×mm)采集矩阵重建矩阵重建体素
    (mm×mm ×mm)
    带宽
    (Hz)
    采集时间
    (min)
    bSSFP1.98/−/3.9640250×250×90252×234×90512×512×900.5×0.5×1.09454.5
    SPGR 1.40/2.70/4.4010 467×467×300 312×314×200 320×320×2001×1×110784.0
    GRE 1.40/2.70/4.6010449×449×90376×376×75400×400×751.1×1.1×1.211422.0
    注:bSSFP为平衡稳态自由进动序列;SPGR为扰相梯度回波序列;GRE为梯度回波序列;MRI为磁共振成像;TE为回波时间;TR为重复时间;−表示无此项数据
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-02
  • 网络出版日期:  2022-11-25
  • 刊出日期:  2022-12-25

基于MRI的前列腺癌放疗中标志物手动辨识与定位评价

    通讯作者: 田龙, zjkxhtl@126.com
  • 1. 唐山市人民医院放射治疗中心,唐山 063000
  • 2. 河北北方学院附属第一医院放疗科,张家口 075000
  • 3. 中国医学科学院肿瘤医院放疗科,北京 100021

摘要:  目的 评价基于MRI的前列腺癌放疗中黄金基准标志物(GFM)手动辨识和定位方法的效能。 方法 纳入2019年6月至2021年6月于唐山市人民医院接受治疗的16例前列腺癌患者进行前瞻性研究,年龄(58.5±4.1)岁,每例患者均置入了3枚GFM后接受放疗定位CT扫描,然后采用单独序列(SS)法和组合序列(CS)法对所有患者进行MRI检查。由5名放疗医师分别对2种序列法获得的所有图像进行GFM手动辨识和定位。计算单个GFM中心(CsGFM)坐标均值和3枚GFM空间质心(CmGFM)坐标均值,并采用Bland-Altman分析法分别评价2种序列法定位的一致性。通过与CT定位比较并计算GFM的标志物间距(IMD),评价2种序列法定位的准确度,组间比较采用配对样本t检验。 结果 SS法GFM辨识阳性率为79.17%(38/48),CS法为93.75%(45/48)。(1)一致性结果。SS法中,每名放疗医师计算的GFM中心坐标同所有GFM的CsGFM坐标均值在左右、头脚、腹背3个方向上的95%一致性界限(LoA)范围分别为−1.46~0.97 mm、−1.06~1.73 mm、−1.96~1.12 mm;CS法中分别为−0.79~1.09 mm、0.10~1.47 mm、−0.87~1.40 mm。SS法中,每名放疗医师计算的3枚GFM空间质心坐标同所有患者的CmGFM坐标均值在左右、头脚、腹背3个方向上的95%LoA范围分别为−1.38~0.94 mm、−1.60~1.07 mm、−1.07~1.75 mm;CS法中分别为−0.57~0.76 mm、−0.71~0.98 mm、−1.16~0.76 mm。(2)准确度结果。与CT定位比较,SS法中IMD为(0.59±0.39) mm,显著大于CS法中的(0.32±0.17) mm,且差异有统计学意义(t=−1.89,P=0.027)。 结论 基于MRI的2种GFM手动辨识和定位方法的效能均可满足临床要求,其中CS法GFM手动辨识的阳性率、定位一致性和准确度均优于SS法。

English Abstract

  • 基于CT和内置黄金基准标志物(gold fiducial marker,GFM)的前列腺癌图像引导放疗(image-guided radiotherapy,IGRT)已被证明显著提高了前列腺癌的治疗精准度和效果[1-2]。但是,由于CT图像的软组织分辨率较低,在一定程度上影响了靶区勾画的准确度;而MRI图像凭借其优良的软组织分辨率已成为取代CT的最佳选择,相关研究也已成为热点[3-5]

    目前,关于MRI在前列腺癌IGRT中的应用研究主要集中在CT与MRI图像的融合[5],以及利用MRI图像生成合成CT图像[6-7]。基于MRI图像的GFM辨识和定位的研究极少,仅有的研究主要集中在基于MRI图像的GFM自动辨识和定位。尽管在理想状态下GFM自动辨识和定位具有较高的阳性率(84%~96%)和准确度,但在临床实践中,钙化和出血点的存在对其造成了较大的影响[8-12]。而手动辨识和定位在CT图像的辅助下受钙化和出血点的影响较小。目前尚无关于单独基于MRI图像的GFM手动辨识和定位的相关研究。因此,本研究评价和量化了单独基于2种MRI序列法图像的GFM手动辨识和定位的可行性及其临床价值,并进一步优化基于MRI的前列腺癌IGRT。

    • 纳入2019年6月至2021年6月于唐山市人民医院接受治疗的16例前列腺癌患者进行前瞻性研究,年龄(58.5±4.1)岁,其中,7例Gleason评分[13]≤6分、4例7分、5例≥8分。纳入标准:(1)接受外照射放疗;(2)身体质量指数为18~25 kg/m2。排除标准:(1)前列腺严重钙化或出血;(2)严重直肠息肉或痔疮。本研究获得了唐山市人民医院医学伦理委员会批准(批号:20190129),所有患者均于治疗前签署了知情同意书。

    • 所有患者于放疗前均排空膀胱及直肠,应用荷兰Philips 公司iU22彩色多普勒超声诊断仪(端扫式9-4 V直肠探头,探头频率为2~10 MHz),经直肠超声引导术(对直肠肛管进行局麻并建立静脉通道,探头插入直肠并抵近前列腺)[14]和细针穿刺抽吸术(采用5 ml注射器和18 G针头随超声探头进入直肠,经过直前壁穿刺入前列腺体)将3枚比利时IBA Visicoil helical线性GFM(高5.0 mm,底面直径1.0 mm)置入靶区不同层面,且保持间距≥15 mm。GFM编号规则:沿头脚方向依次编号为1、2、3,若在同一层面则沿左右方向再次编号。

    • 对GFM位置稳定且身体置于定位状态下真空塑形垫上的患者,在统一定位条件下,应用荷兰Philips 公司 Big Bore大孔径CT采集盆腔轴位CT平扫图像,扫描参数:管电压120 kV、管电流300 mA、层厚3 mm、采集矩阵512×512,分辨率0.98 mm×0.98 mm。CT图像用于标志物间距(inter-marker distance,IMD)计算参考和辅助GFM辨识。

    • 对GFM位置稳定且身体置于定位状态下真空塑形垫上的患者,在统一定位条件下,应用美国GE 公司 SIGNA Voyager 1.5T MRI并通过3种序列采集盆腔轴位图像。(1)平衡稳态自由进动序列(balanced steady-state free precession,bSSFP):该序列最先获取;(2)T1加权双相位扰相梯度回波序列(spoiled gradient-recalled echo,SPGR):该序列在bSSFP后立即获取(最大时差≤5 min);(3)双相位梯度回波序列(gradient-recalled echo,GRE):该序列在检查结束前获取(于SPGR后获取,最小时差≥15 min)。3种序列的详细参数见表1

      MRI序列TE1/TE2/TR(ms)翻转角度(°)视野(mm×mm ×mm)采集矩阵重建矩阵重建体素
      (mm×mm ×mm)
      带宽
      (Hz)
      采集时间
      (min)
      bSSFP1.98/−/3.9640250×250×90252×234×90512×512×900.5×0.5×1.09454.5
      SPGR 1.40/2.70/4.4010 467×467×300 312×314×200 320×320×2001×1×110784.0
      GRE 1.40/2.70/4.6010449×449×90376×376×75400×400×751.1×1.1×1.211422.0
      注:bSSFP为平衡稳态自由进动序列;SPGR为扰相梯度回波序列;GRE为梯度回波序列;MRI为磁共振成像;TE为回波时间;TR为重复时间;−表示无此项数据

      表 1  bSSFP、SPGR和GRE 3种MRI序列的成像参数

      Table 1.  Imaging parameters of three MRI scanning sequences: balanced steady-state free precession, spoiled gradient-recalled echo and gradient-recalled echo

    • 由5名具有5年以上工作经验的放疗医师对每例患者bSSFP序列同一层面的轴位图像进行GFM手动辨识和定位,即单独序列(single sequence,SS)法。(1)单个GFM中心(CsGFM):排除假阳性辨识的GFM,计算每枚正确辨识的GFM坐标均值,获取其CsGFM坐标,再计算5名放疗医师获取的该枚GFM的CsGFM坐标均值。应用SPSS 19.0软件中Bland-Altman分析法评价5名放疗医师单独计算的GFM中心坐标同所有GFM的CsGFM>坐标均值在左右、头脚、腹背3个方向上的95%一致性界限(limit of agreement,LoA)。(2)3枚GFM空间质心(CmGFM):利用CsGFM坐标计算3枚GFM CmGFM坐标,再计算5名放疗医师获取的该例患者的CmGFM坐标均值。采用Bland-Altman分析法评价5名放疗医师单独计算的3枚GFM空间质心坐标同所有患者的CmGFM坐标均值在左右、头脚、腹背3个方向上的95%LoA,计算95%LoA最大范围,即上界与下界差值的绝对值。

      分别使用SPGR和GRE序列同一层面的轴位图像进行基于bSSFP序列图像的GFM手动辨识和定位,即组合序列(combined sequence,CS)法。95%LoA最大范围的计算方法与上述SS法相同。

    • 排除假阳性辨识的GFM,利用CsGFM坐标均值和同一坐标系下CT图像上GFM中心坐标,通过下述公式分别计算SS法和CS法图像与CT图像GFM的IMD。

      $ {\rm{IMD}} = \sqrt{{({{X}}_{\mathrm{M}\mathrm{R}} - {{X}}_{\mathrm{C}\mathrm{T}})}^{2} + {({{Y}}_{\mathrm{M}\mathrm{R}} - {{Y}}_{\mathrm{C}\mathrm{T}})}^{2} + {({{Z}}_{\mathrm{M}\mathrm{R}} - {{Z}}_{\mathrm{C}\mathrm{T}})}^{2}} \quad $

      式中,XMRYMRZMR分别为MRI图像上GFM中心左右、头脚、腹背方向坐标,XCTYCTZCT分别为CT图像上GFM中心左右、头脚、腹背方向坐标。应用SPSS 19.0软件对2种序列法与CT定位的比较结果进行统计学分析。符合正态分布的计量资料以$\bar x \pm s $表示,组间比较采用配对样本t检验(方差齐)。P<0.05为差异有统计学意义。

    • 典型患者CT和3种MRI序列扫描图像见图12。其中,图1所示患者2枚GFM均正确辨识,图2所示患者右侧GFM正确辨识,而左侧钙化点在无CT辅助辨识情况下极易与GFM混淆,造成假阳性辨识。最终在CT辅助辨识下, SS法GFM辨识阳性率为79.17%(38/48),CS法为93.75%(45/48)。

      图  1  前列腺癌患者(55岁)放疗中GFM置入后的CT和3种MRI序列扫描图像

      Figure 1.  CT and 3 kinds of MRI sequence scanning images of a prostate cancer patient (55 years old) in radiotherapy after gold fiducial marker implantation

      图  2  前列腺癌患者(57岁)放疗中GFM置入后的CT和3种MRI序列扫描图像

      Figure 2.  CT and 3 kinds of MRI sequence scanning images of a prostate cancer patient (57 years old) in radiotherapy after gold fiducial marker implantation

    • 排除假阳性辨识的GFM后,SS法中5名放疗医师单独计算的GFM中心坐标同所有GFM的CsGFM坐标均值在左右、头脚、腹背3个方向上的95%LoA范围分别为−1.46~0.97 mm、−1.06~1.73 mm、−1.96~1.12 mm;CS法中分别为−0.79~1.09 mm、−0.10~1.47 mm、−0.87~1.40 mm。SS法中5名放疗医师单独计算的3枚GFM空间质心坐标同所有患者的CmGFM坐标均值在左右、头脚、腹背3个方向上的95%LoA范围分别为−1.38~0.94 mm、−1.60~1.07 mm、−1.07~1.75 mm;CS法中分别为−0.57~0.76 mm、−0.71~0.98 mm、−1.16~0.76 mm。2种方法95%LoA最大范围均小于2 mm,说明其一致性在临床上均可接受;CS法中CsGFM和CmGFM 95%LoA最大范围在3个方向上均小于SS法中的相应结果,说明其一致性优于SS法。

    • 与CT 定位相比,SS 法中IMD 为(0.59±0.39) mm,CS法中为(0.32±0.17) mm,2种方法IMD均较小,因此其GFM定位准确度均可媲美CT。CS法中IMD明显小于SS法,且差异有统计学意义(t=−1.89,P=0.027),这说明前者GFM定位准确度明显高于后者。

    • 本研究单独基于MRI图像进行了GFM手动辨识和定位,结果显示SS和CS 2种序列法GFM辨识阳性率均较高,与CT定位相比,IMD均较小,准确度可媲美CT。这是因为本研究中选用的3种MRI序列各自具有不同特点:bSSFP序列通过脂肪抑制突出前列腺癌靶区边界,能获得比CT图像更高的软组织分辨率,临床上常用于前列腺癌靶区勾画[10];SPGR序列通过对回波平均化处理,增强GFM无信号区信噪比,可用于区分GFM与钙化或出血点[12];GRE序列由于采集时间短,几乎不存在运动伪影,可用于优化GFM定位[12]。Gustafsson等[11]关于GFM自动辨识的研究结果显示,GFM辨识阳性率为60.00%(27/45),IMD为(0.77±0.68) mm。由此可见,本研究结果与GFM自动辨识和定位相比更加精准。另外,MRI图像几何失真和形变均较小。在本课题组其他试验中,采用上述3种MRI序列对线性测试假体进行了扫描,结果均显示图像线条笔直,仅见局部不连续和端面轻微不圆润,几何失真较小且不存在类似CT的放射性伪影;采用MIM 6.6.8软件分别测量了CT和MRI图像上勾画的前列腺癌靶区图像形变,结果显示MRI图像的豪斯多夫距离明显小于CT图像,Dice系数和科恩的Kappa系数均显著大于CT图像,即MRI图像的形变显著小于CT图像[14]

      在5名放疗医师对GFM的手动辨识中,对于SS法中10枚和CS法中3枚辨识失败的GFM,我们认为失败的原因可能包括以下几个方面。(1)bSSFP序列的采集时间为4.5 min左右,期间存在较大运动伪影;(2)单独基于MRI图像未能将GFM从钙化或出血点中辨识出来。其中,SS法受以上2个原因的共同影响较大,而优化了GFM辨识的CS法所受的影响较小。为此,我们提出了以下一些解决措施。(1)优化设备软、硬件:进一步缩短采集时间,降低图像几何失真和形变的影响。(2)优化辅助序列:本研究中仅采用了GRE的一个回波图像,而本课题组的其他试验结果显示,多回波序列图像可能对GFM辨识有所帮助。多回波序列图像中回波时间增加,GFM无信号区均匀增大,从而提高了其与钙化或出血点的辨识度[14]。(3)完善放疗医师经验:本研究中5名放疗医师均具有丰富的CT靶区勾画经验,也参与过CT与MRI图像的融合工作。但本研究中5名放疗医师均是首次单独基于MRI图像进行GFM手动辨识和定位,缺乏相关经验。相信经过相关培训并丰富临床经验后,本研究结果会得到优化。(4)优化辅助辨识手段:目前,最为有效的辅助辨识手段是CT辅助辨识[15-18]。GFM在CT图像上表现为明显的放射状高亮度影,而钙化或出血点则表现为不规则且边缘光滑的高亮度影,因此在CT图像上二者极易辨识。本课题组其他试验还论证了C型臂X射线设备辅助辨识的可行性,结果显示,相比CT,C型臂X射线设备辅助辨识的准确度可以接受,具有一定的临床应用价值[15]。未来将C型臂X射线设备与CT联合用于辅助辨识或许会使研究结果得到优化。

      本研究结果显示,在定位一致性和准确度方面,CS法优于SS法。我们认为原因如下。(1)CS法中GFM辨识阳性率高,被剔除出整个计算过程的GFM少,因此其计算结果更客观真实,误差更小。(2)SPGR和GRE序列的优化作用。比如,GRE序列的采集时间短,显著降低了运动伪影,从而减少了计算误差。

      综上,本研究单独基于MRI图像进行了GFM手动辨识和定位,结果具有一定的临床参考价值。其中,CS法在GFM辨识阳性率和定位一致性上均优于SS法,且与CT定位相比,2种序列法的IMD均较小,准确度可媲美CT。本研究结果为进一步优化基于MRI图像的前列腺癌IGRT提供了重要的理论基础和数据支持。

      利益冲突 所有作者声明无利益冲突

      作者贡献声明 张旺负责研究过程的实施、试验的开展、论文的撰写;刘肖负责数据的获取与分析;杨海芳负责研究命题的提出和设计;田龙负责论文的起草和最终版本的修订;胡逸民负责论文的审阅

参考文献 (18)

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